Das Universum ist voll von mächtigen supermassereichen Schwarzen Löchern, die mächtige Strahlen hochenergetischer Teilchen erzeugen und so Quellen extremer Helligkeit in den Weiten des Weltraums erzeugen. Wenn einer dieser Jets direkt auf die Erde gerichtet ist, bezeichnen Wissenschaftler das Schwarze-Loch-System als Blazar.
Um zu verstehen, warum sich Partikel im Jet mit großer Geschwindigkeit und Energie bewegen, greifen Wissenschaftler auf den IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) der NASA zurück, der im Dezember 2021 gestartet wurde. IXPE misst eine spezielle Eigenschaft von Röntgenlicht, die Polarisation genannt wird und mit der Organisation elektromagnetischer Wellen bei Röntgenfrequenzen zu tun hat.
Ein internationales Team von Astrophysikern hat neue Erkenntnisse von IXPE über einen Blazar namens Markarian 421 veröffentlicht. Dieser Blazar im Sternbild Ursa Major, etwa 400 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, überraschte Wissenschaftler mit Beweisen dafür, dass das Magnetfeld in dem Teil des Jets, in dem Teilchen beschleunigt werden, eine helikale Struktur aufweist.
„Markarian 421 ist ein alter Freund für Hochenergie-Astronomen“, sagte Laura Di Gesu, Astrophysikerin der italienischen Weltraumbehörde und Hauptautorin der neuen Studie. „Wir waren sicher, dass der Blazar ein lohnenswertes Ziel für IXPE sein würde, aber seine Entdeckungen übertrafen unsere besten Erwartungen und demonstrierten erfolgreich, wie Röntgenpolarimetrie unsere Fähigkeit bereichert, die komplexe Magnetfeldgeometrie und Teilchenbeschleunigung in verschiedenen Regionen relativistischer Jets zu untersuchen.“
Die neue Studie, die die Ergebnisse des IXPE-Teams bei Markarian 421 detailliert beschreibt, ist in der neuesten Ausgabe von verfügbar Naturastronomie.
Jets wie der, der aus Markarian 421 strahlt, können eine Länge von Millionen Lichtjahren erreichen. Sie sind besonders hell, denn wenn sich Teilchen der Lichtgeschwindigkeit nähern, geben sie enorme Energiemengen ab und verhalten sich auf die seltsame Weise, die Einstein vorhergesagt hatte. Blazar-Jets sind besonders hell, denn genau wie die Sirene eines Krankenwagens bei Annäherung lauter ertönt, erscheint das auf uns gerichtete Licht auch heller. Deshalb können Blazare alle Sterne der Galaxien, in denen sie leben, überstrahlen.
Trotz jahrzehntelanger Forschung verstehen Wissenschaftler die physikalischen Prozesse, die die Dynamik und Emission von Blazar-Jets beeinflussen, immer noch nicht vollständig. Aber die bahnbrechende Röntgenpolarimetrie von IXPE – die die durchschnittliche Richtung des elektrischen Feldes von Lichtwellen misst – ermöglicht ihnen einen beispiellosen Blick auf diese Ziele, ihre physikalische Geometrie und den Ursprung ihrer Emissionen.
Forschungsmodelle für den typischen Ausfluss der leistungsstarken Jets zeigen typischerweise eine spiralförmige Helixstruktur, ähnlich der Art und Weise, wie menschliche DNA organisiert ist. Die Wissenschaftler erwarteten jedoch nicht, dass die Helixstruktur Bereiche mit Partikeln enthalten würde, die durch Stöße beschleunigt werden.
IXPE fand während drei längerer Beobachtungen von Markarian 421 im Mai und Juni 2022 eine überraschende Variabilität im Polarisationswinkel.
„Wir hatten damit gerechnet, dass sich die Polarisationsrichtung ändern könnte, gingen aber aufgrund früherer optischer Beobachtungen vieler Blazare davon aus, dass große Rotationen selten wären“, sagte Herman Marshall, Forschungsphysiker am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und Mitautor der Arbeit. „Deshalb planten wir mehrere Beobachtungen des Blazars, wobei die erste eine konstante Polarisation von 15 % zeigte.“
Bemerkenswerterweise, fügte er hinzu, schien die erste Analyse der Polarisationsdaten von IXPE zu zeigen, dass sie zwischen der ersten und zweiten Beobachtung auf Null gesunken seien.
„Dann erkannten wir, dass die Polarisation tatsächlich ungefähr gleich war, ihre Richtung jedoch buchstäblich eine Kehrtwende vollzog und sich innerhalb von zwei Tagen um fast 180 Grad drehte“, sagte Marshall. „Bei der dritten Beobachtung, die einen Tag später begann, überraschte es uns dann erneut, dass sich die Polarisationsrichtung weiterhin mit der gleichen Geschwindigkeit drehte.“
Noch seltsamer war, dass gleichzeitige optische, Infrarot- und Radiomessungen überhaupt keine Veränderung der Stabilität oder Struktur zeigten – selbst wenn die polarisierten Röntgenemissionen abwichen. Dies bedeutet, dass sich eine Stoßwelle entlang spiralförmiger Magnetfelder im Inneren des Jets ausbreiten könnte.
Das Konzept einer Stoßwelle, die die Partikel des Jets beschleunigt, steht im Einklang mit Theorien über Markarian 501, einen zweiten von IXPE beobachteten Blazar, der zu einer veröffentlichten Studie Ende 2022 führte. Aber sein Cousin Markarian 421 zeigt eindeutigere Hinweise darauf, dass ein spiralförmiges Magnetfeld dazu beiträgt Schock.
Di Gesu, Marshall und ihre Kollegen sind bestrebt, weitere Beobachtungen von Markarian 421 und anderen Blazaren durchzuführen, um mehr über diese Jet-Fluktuationen und deren Häufigkeit zu erfahren.
„Dank IXPE ist es eine aufregende Zeit für Studien astrophysikalischer Jets“, sagte Di Gesu.
Mehr Informationen:
Laura Di Gesu et al., Entdeckung der Rotation des Röntgenpolarisationswinkels im Jet von Blazar Mrk 421, Naturastronomie (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02032-7